地质碳汇

李采 何庆成 郭朝斌

近年来，以二氧化碳（CO2）为代表的温室气体浓度越来越高，使地球愈发“火热”。“全球沸腾的时代到来！”联合国秘书长古特雷斯对全球变暖发出这样的警告。对此，人类该怎样应对？让我们一起踏上这段关于碳平衡的探索、发现、行动之旅吧！

碳在地球上的旅程

碳从哪里来？

地球上所有的碳都来自太空。

碳在地球上的分布

目前，尽管我们对地球上的碳总量仍不知晓，但对于从地壳到大气层这段薄层中的碳，人们已经有了初步估算，并对碳在岩石圈、水圈、生物圈以及大气圈之间的循环也有了基本认识。

在这4个圈层中，岩石圈碳含量最大，其次是水圈，接下来是生物圈，最后是大气圈。

数百万年的循环

碳是移动的，它从一个圈层运动到另一个圈层，用数百万年完成一个循环：

最初，含碳物质随着地球深部的炽热岩浆从火山喷出，在喷发的过程中，岩浆中的含碳物质发生脱碳反应，产生二氧化碳、水、一氧化碳等气体，形成最早期的大气。

随后，大气中的一部分二氧化碳用于植物的光合作用，形成植物的一部分，植物通过食物链又成为动物身体的一部分。动、植物死后，这些含碳的有机物开始分解，一部分成为二氧化碳或甲烷，回到大气中；另一部分随着成矿作用成为沉积物，再经过漫长的地质演化，成为岩石，返回地壳。

同时，大气中的另一部分二氧化碳会通过溶解作用进入河流、湖泊与大海，转化为碳酸。遇到水中的钙、镁离子后，碳酸便会与之反应，沉淀下来形成碳酸盐矿物，成为地壳、洋壳的一部分。

不仅如此，大气中还有一部分二氧化碳会与地表一些岩石反应，形成碳酸盐；岩石也可能被降水、地表水溶解，形成碳酸氢根。碳酸盐和碳酸氢根进入水体，参与水生植物光合作用，形成生物形式的碳。

80万年以来地球大气中平均二氧化碳浓度变化

回到岩石圈的碳随着板块运动，在俯冲带进入地球深部，成为岩浆的一部分，开始下一个循环……

碳的平衡被打破

数十亿年来，碳在从地球深部向地表运动的循环中已达到某种平衡，这种平衡维持了气候与环境的相对稳定。

然而，科学家从南极冰心气泡包含的信息中得知，在过去的几百万年里，大气中二氧化碳的浓度在200 ppm（百万分比浓度）至280 ppm之间波动。但在20世纪中期，大气中二氧化碳浓度突破了300 ppm；到2015年，这个值已超过了400 ppm。短短60多年间，大气中二氧化碳浓度的上升速度远远超过了几百万年前的任何时候。与此同时，大气中甲烷浓度增加了2倍；1880年地球有温度记录以来，全球的平均气温总体在持续升高。

同一时期内，大气中二氧化碳、甲烷的浓度与全球气温都出现了快速增加的趋势，宣告着碳的平衡已被打破。在过去的这100多年中，为了发展，人类竭尽所能地把藏在岩石圈中的含碳化石能源采掘出来，将它们燃烧，从而驱动机器的运转。人类因此进入了现代文明，同时也付出了代价——化石能源燃烧后的产物二氧化碳，被源源不断地排入了大气，一层一层地将地球裹起来，地球变得越来越热，极端天气频频出现。

地质碳汇——重建和谐的碳平衡

地质作用来帮忙

面对前所未有的危机，一方面，我们应当尽量减少向大气排放大量的二氧化碳；另一方面，应当对排放到大气中的二氧化碳进行正确处理。通常，人们把从大气中减少二氧化碳的过程称为碳汇。通过地质作用与工程措施，把大气中多余的二氧化碳放回岩石圈的过程，被称为地质碳汇。

? 由于全球变暖加剧，极端天气频发

地质碳汇可以是消耗了二氧化碳的地质活动，也可以是把二氧化碳捕集起来注入地层中的过程。

吸收二氧化碳的神奇石头

如何把大气中的二氧化碳放回岩石圈，大自然给了我们无比“高明”的启示——硅酸盐岩在风化过程中会吸收二氧化碳。在地质历史的漫漫长河中，当温度升高，硅酸盐岩吸收二氧化碳的速率也随之上升；当温度降低，其吸收速率则放慢。这很像一个温控器，不断调节着大气中二氧化碳的浓度，使地球温度保持相对稳定。

硅酸盐岩中形成的白色网状碳酸盐岩脉（供图/曾令森）

像蛇绿岩一样可以吸收二氧化碳的还有橄榄岩（左）、玄武岩（右）

例如，在阿拉伯半岛阿曼的雄伟山地中，有一种奇特的岩石——蛇绿岩，它是因地幔岩石在板块作用下冲到玄武岩洋壳之上形成的，富含镁元素和钙元素。当蛇绿岩暴露在大气中时，便会与二氧化碳反应，生成碳酸镁与碳酸钙，成为像网一样交织的白色岩脉。蛇绿岩分秒不停地消耗着大气中的二氧化碳，阿曼所拥有的蛇绿岩足以消耗人类产生的所有二氧化碳。

把二氧化碳“塞”进地下深处

尽管蛇绿岩足以消耗人类产生的所有二氧化碳，但这需要很长的时间，而地球急需得到碳平衡。于是，我们将目光投向了另一种地质碳汇的方法——将大气中或准备向大气排放的二氧化碳捕集起来，注入上千米深的地层中。

采出石油、天然气的那些地层，是最理想的二氧化碳封存之处，其次是那些深度相仿的咸水层，再者是那些富含甲烷且不易开采的煤层。据估算，全球可封存二氧化碳的地层有约10万亿吨的潜力，同样相当于人类产生的所有二氧化碳。相比蛇绿岩，这种方法更加有效、可控。

当然，我们还有很多希望。森林、草地、湖泊、河流、大海，自然界有许多能够吸收利用二氧化碳的宝贵资源。我们每一个人的行动力，更是最大的希望——改变依赖能源的类型、保护生态环境、增加植被、发展科技……让大气中的二氧化碳越来越少，实现“碳中和”，重建碳平衡！

（责任编辑 / 代竹蕊    美术编辑 / 韦英章）